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1、 2010年第2期 中 国 照 明 电 器 CH I NA L IGHT ther mal analysis; junction temperature 1 引言 随着温度升高,LED的失效率会大大增加,而且 光衰会加剧、 寿命也会缩短,因此热设计是LED灯具 结构设计中不可忽略的一个环节 6。大功率 LED灯 具设计除了要成功实现产品的功能之外,还必须充分 考虑产品的稳定性、 工作寿命和环境适应能力等,而 这些都和温度有着直接或间接的关系。数据显示, 45%的电子产品损坏是由温度过高引起的,可见散热 设计的重要性。 现在市场上很多LED灯具产品给出的温升指标 大部分都是基于灯具外壳的温度相对
2、于环境温度的 差异,用这种方法来衡量灯具散热性能存在着一定的 局限性 7 。因为与 LED器件性能直接相关的是其 PN结的结温,我们关心的最终指标是结温的高低,而 不是灯具表面的温度。不同灯具在LED光源的选 取、 灯具材料的使用、 生产工艺以及散热设计等各方 面都有很大不同,导致从LED的PN结到灯具外壳的 热阻都有很大的差异。 2 LED灯具结构 需要进行热传导分析的LED灯具有2类 (4 18 中 国 照 明 电 器2010年第2期 种 ) , 分别为由单粒LED组合和由灯带组合。由单粒 LED组合的灯具有14粒和18粒2种,由LED灯带 组合的灯具有20W和30W 2种。以18粒LED
3、灯具 为例,其结构如图1所示。 图1 18粒LED灯具结构模型图 20W的LED灯具有4条灯带,呈4行1列排布, 每条灯带5W; 30W的LED灯具有6条灯带,呈3行 2列排布,每条灯带功率也是5W。 3 计算条件 灯具在开启后逐渐升温最后达到热稳定状态,也 就是说热稳定状态时各点的温度最高,所以散热计算 一般只考虑稳态情况,瞬态的热分布情况并不重要。 因此应在灯具处于热稳定状态时计算灯具散热的 情况。 根据已知尺寸和参数指标,分别建立14粒、18 粒、20W、30W的LED灯具热传导模型。以18粒 LED灯具为例,其热传导模型如图2所示。 图2 18粒LED灯具热传导模型图 仿真计算中,单粒
4、芯片为117W,灯带每条为 5W。单粒LED和灯带热效率取为82% ,电源效率取 为85%。 灯具传热过程中遵循动量守恒定律,由Navier2 Stokes方程,得 x方向: 9( u) 9t + 9( uu) 9x + 9( uv) 9y + 9( uw) 9z = - 9p 9x + 9 9x 9u 9x + 9 9y 9u 9y + 9 9z 9u 9z + Su y方向: 9( v) 9t + 9( vu) 9x + 9( vv) 9y + 9( vw) 9z = - 9p 9y + 9 9x 9v 9x + 9 9y 9v 9y + 9 9z 9v 9z + Sv z方向: 9( w
5、) 9t + 9( wu) 9x + 9( wv) 9y + 9( ww) 9z = - 9p 9z + 9 9x 9w 9x + 9 9y 9w 9y + 9 9z 9w 9z + Sw 除此之外,灯具在传热过程中还遵循能量守恒 定律: 9( T) 9t + 9( uT) 9x + 9( uT) 9y + 9( wT) 9z = 9 9x cp 9T 9x + 9 9y cp 9T 9y + 9 9z cp 9T 9z + ST 其中, cp为定压比热容, T为温度,为流体的导热系 数, ST为流体的内热源及粘性耗散项。 设定x2velocity、y2velocity、z2velocity方
6、向流动的 收敛值为01001, energy收敛值为1e - 7,开始求解。 4 气流及温度分布图 LED灯具热量的流动大概可以简单归结为如下 过程:先经过焊接层将热量传给固定LED的铝基板, 然后铝基板导热胶将热量传给各个散热片,再通过各 个散热片传给灯具外壳,最后靠散热片和灯具外壳与 空气间的对流将热量散出。 图3 18粒LED温度分布图 唐顺杰 等:大功率LED灯具散热分析19 图3是18粒带散热孔LED灯具在单个芯片功 率P为117W、 环境温度t为35、 空气流速V为 01001m /s时的温度分布云图。 5 仿真结果 设定不同的边界条件,使用ICE PAK计算不同 边界条件组合时的
7、LED芯片和灯带处的温度,分别 如下所述。 511 4种灯具的T2P关系图 固定环境温度和空气对流速度,仿真计算LED 芯片或灯带处温度随芯片功率的变化规律,其中使用 T表示芯片温度, P表示LED电功率。 计算中,设置环境温度为35,空气流速为 01001m /s时, 4类灯具分别按带散热孔与不带散热 孔2种情况考虑。18粒LED的最高温度值与单个芯 片功率之间的关系如图4所示。 图4 18粒LED灯具有、 无散热孔的T2P关系比较图 分析仿真结果可知: (1)随着芯片功率增大, LED最高温度值也变 大。LED最高温度与芯片功率间呈近似线性关系, 但不同种类灯具温升斜率不同,如表1所示。
8、表1 温升与芯片功率关系的斜率单位:/W 14粒18粒20W灯带30W灯带 不带散热孔22/1428 /183. 6/43. 65/6 带散热孔10/1411. 9/182. 6/43. 1/6 (2)单粒型LED灯具侧面开散热孔的散热效果 显著,而灯带型灯具的散热孔只有有限的散热作用。 这一点也可从表1的斜率数值中看出。在芯片功率 为117W时, 14粒灯具温差接近20, 18粒灯具温差 接近25;在灯带功率为5W时, 20W灯带灯具温差 接近5, 30W灯带灯具温差在3 左右。 (3)在相同条件下,灯带型灯具的温升显然比单 粒型灯具的温升要小得多。 512 4种灯具的T2t关系图 固定取空
9、气流速为 (0 1001m /s) ,每种芯片都为 最大功率 (14 粒、18粒的功率P为117W; 20W、30W 灯带的功率P为 5W) 时, 4类灯具分别按带散热孔与 不带散热孔2种情况考虑。18粒灯具LED最高温度 值T与环境温度t之间的关系,如图5所示。 图5 18粒LED灯具有、 无散热孔的T2t关系比较图 从图5中可以看出,随着环境温度的不断提高, LED最高温度值也在不断增大, LED最高温度值与 环境温度值之间几乎成线性关系。从仿真结果看,不 论哪一种灯具,基本上符合这样的规律:环境温度每 升高1,芯片处的温度就也升高1。 在相同空气流速 (0 1001m /s)、 最大功率
10、的情况 下,带散热孔的灯具比不带散热孔的灯具的最高温度 值要低,在14粒、18粒LED灯具上最高温升差值明 显 (14 粒LED灯差值在1915 左右, 18粒LED灯差 值在2615 左右) , 20W、30W的LED灯具带与不带 散热孔最高温度值差值不是很明显(20W差值在 513 左右, 30W差值在311 左右)。 513 4种灯具的T2V关系图 固定环境温度为35、 每种芯片都取最大功率 (14 粒、18粒的功率P为117W; 20W、30W灯带功率 P为 5W) 时, 4种灯具LED最高温度值T与空气流 速V之间的关系,以18粒为例,如图6所示。 从图6中可以看出,随着空气流速从0
11、1001 0125m /s不断增大,LED最高温度值变化很小,接近 水平直线,即空气流速对芯片的温度几乎没有影响。 20 中 国 照 明 电 器2010年第2期 图6 18粒LED灯具有、 无散热孔的T2V关系比较图 6 总结 在仿真计算中,分别考虑了机构上散热孔、 芯片 功率、 环境温度和空气流速对芯片处温度的影响。从 计算结果看,芯片温度受到散热孔、 芯片功率和环境 温度的影响。其中,芯片功率对芯片温度影响较大; 结构上开散热孔对单粒型灯具的LED温度影响较 大;环境温度对芯片温升的影响为线性规律,环境温 度变化1,温升同样变化1。空气流速对芯片处 温度几乎没有影响。 综上所述, 4种LE
12、D灯具在同种条件下,芯片功 率越高,LED的最高温度值就越大,LED最高温度值 与环境温度值之间呈线性关系,当空气流速V在 010010125m /s之间时, LED的最高温度值几乎没 有变化。14粒、18粒LED灯具有散热孔的与没散热 孔的相比LED最高温度值差别很大,而20W、30W灯 带灯具在有、 无散热孔时的最高温度值差别不是很 大。所以在14粒、18粒LED灯具上开散热孔是十分 有必要的。 除此之外,也可以在灯具上安装风扇,采用强制 对流降低LED芯片处温度,或者采用其它新的散热 技术(如微通道制冷)散热。 参考文献 1 James Petroaki .Spacing of high
13、2brightnessLEDs on metal substrate PCBs for proper ther mal perfor mance C Ninth Intersociety Conference onThermal andTher mornechanical Phenomenain Electronic Systems, 2004: 507 - 514. 2 Moo2whan Shin. Thermal characteristics and technical issues of high power LED C 27th Japan Symposium on Thermo p
14、hysical Properties, Kyoto, 2006: 7 - 14. 3 范治新.工程传热原理M .北京:化学工业出版社, 1982. 4 英克鲁佩勒.传热和传质基本原理M .北京:化学工业出版 社, 2007. 5 齐昆,陈旭.大功率LED封装界面材料的热分析J .电子与封 装, 2007, 7 (6) : 8 - 13. 6 李鹏. LED灯具的热分析与散热设计J .中国照明电器, 2008 (12) : 17 - 19. 7 张万路,江磊,江程,等. LED道路照明灯具散热系统分析J . 中国照明电器, 2009 (2) : 6 - 10. 8 袁柳林,刘胜,陈明祥.基于微通
15、道致冷的大功率LED阵列封 装热分析J .半导体光电, 2006, 27(6) : 712 - 716. 9 Frank Wall, Paul S . Martin, Gerard Harbers .High power LED package requirementsCProceedings of SPIE, 2003, 187 (5) : 85 - 92. 10 M.Arik,S .Weaver .Chip scale ther mal management of high brightnessLED packagesC Fourth International Conference on
16、 Solid State Lighting, Denver CO, USA:Society of Photo2Optical Instrumentation Engineers, 2004. 11 MehmetArika, CharlesBeckerb, StantonWeaverb, et al .Thermal management of LEDs package to system C Third International Conference on Solid State Lighting, San Diego CA, USA: Society of Photo2Optical In
17、strumentation Engineers, 2004. 12 Tang Shunjie, Zheng Xiangzhou, Song Tianbin, et al . Heat transfer process analysis and simulation of eutectic furnace for high2power LEDencapsulation C TheInternationalConferenceon Mechatronics and Automation,Changchun,China:Institute of Electrical and Electronics
18、Engineers, 2009. 绿色照明LED实用技术 征订 由复旦大学电光源研究所陈大华担任主编,刘洋、 居家奇、 陈文成担任副主编的 绿色照明LED实用技术 一书,已于2009年9月由化学工业出版社出版,书号为ISBN978 - 7 - 122 - 06079 - 2。该书较系统地介绍了 与LED相关的视觉科学知识,重点阐述LED的工作原理、 光学特性、 电学特性、 热学特性和使用要求,并与读 者共同探讨LED在不同照明领域应用实践中的有关问题和LED光源的发展前景。全书共30万字。 定价: 60元/册(含挂号邮费11元)。 联系人:左春兰 电话: 021 - 65102364 地址:上海邯郸路220号 复旦大学电光源研究所 邮政编码: 200433